Ядроның байланыс энергиясы және потенциалдық энергиясы.

Байланыс энергиясы — байланысқан жүйені (мысалы, атом, молекула, атом ядросы, т.б.), оны құрайтын бөлшектерге (құраушыларға) жіктеуге және оларды бір-бірінен арасында өзара әсер болмайтындай қашықтыққа алыстату үшін жұмсалатын энергия; біртұтас жүйе болып байланысқан бөлшектер жиынтығының сипаттамасы.

Байланыс энергиясы — теріс таңбалы шама. Өйткені байланысқан жүйенің түзілуі кезінде энергия бөлініп шығады. Байланыс энергиясының абсолют шамасы жүйе байланысының беріктілігін және жүйенің орнықтылығын сипаттайды. Басқаша айтқанда, Байланыс энергиясы артқан сайын жүйе берік болады, яғни жүйені оны құрайтын бөлшектерге жіктеу үшін жұмсалатын энергия да көп болады. Мысалы, молекулалардың химикалық Байланыс энергиясы бірнеше эВ болса, ядролық Байланыс энергиясы миллиондаған эВ-қа дейін жетеді. Сондықтан атом ядросы өте берік жүйе болып есептеледі.

Атом ядросының Байланыс энергиясы ядродағы нуклондардың күшті өзара әсеріне байланысты анықталады. Ядроның Байланыс энергиясы: толық, меншікті және жеке бөлшектіктің Байланыс энергиясы болып ажыратылады. Толық Байланыс энергиясы — ядроны жеке нуклондарға ыдырату үшін жұмсалатын энергияға немесе жеке нуклондардан ядро құралғанда бөлініп шығатын энергияға тең.

Меншікті Байланыс энергиясының шамасы өте жеңіл және аса ауыр ядролардан басқалары үшін тұрақты шама (жуық шамамен 8,6 МэВ) болады. Меншікті Байланыс энергиясы ауыр ядролар үшін біртіндеп кеми келе уран ядросында (238U) 7,5 МэВ-қа жуықтайды. Бұл байланыстың сипатынан энергия алу үшін, ауыр ядролардың бөлінуі және жеңіл ядролардың бірігуі тиімді екендігі көрінеді. Ауыр ядроларды бөлу арқылы энергия алу ядролық реакторда жүзеге асырылады. Ал жеңіл ядролардың бірігуі кезіндегі энергияның бөлініп шығу процесі термоядролық реакцияда байқалады. Ядро құрамындағы жеке бөлшектің (протон, нейтрон, α-бөлшек т.б.). Байланыс энергиясы деп сол жеке бөлшекті ядродан бөліп алуға қажетті энергия мөлшерін айтады.

Атом ядросын түгелімен жеке нуклондарға ыдырату үшін қажетті минимал энергияны ядроның байланыс энергиясы деп атайды.

Ядролық тарту күшінің жұмысы есебінен нуклондардан атом ядросы түзілгенде пайда болатын массалар айырымын массалар ақауы деп атайды.

Массалар ақауын есептеу формуласын жазайық:

Енді ядроның байланыс энергиясын есептеп шығаруға болады:

Ядролық физикада массаның атомдық бірлігі (1 м.а.б.), ал энергия үшін мегаэлектронвольт (МэВ) қолданылатынын ескеріп, (8.8) формуланы осы бірліктер үшін бейімдеп жазайық:

Сонымен, дербес нуклондардан ядро түзілгенде ядроның Еб байланыс энергиясына тең энергия бөлініп шығады. Энергияның бөлініп шығуы ядро массасының массалар ақауы деп аталатын шамаға кемуіне әкеледі:

Ядроның байланыс энергиясы ядроның тұрақтылығын сипаттайтын аса маңызды шама болып есептеледі. Сонымен қатар, ядролық физикада меншікті байланыс энергиясы деген ұғым қолданылады.

Меншікті байланыс энергиясы деп ядроның байланыс энергиясының А массалық санға қатынасын, яғни бір нуклонға сәйкес келетін байланыс энергиясын айтады:

Нуклондардың меншікті байланыс энергиясы түрлі атом ядроларында бірдей емес. Ядродағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясының массалық А санға тәуелділігі 8.5-суретте көрсетілген. Массалық А санының артуына байланысты меншікті байланыс энергиясы ²₁ H дейтерийдің ядросында 1,1 МэВ/нуклон мәнінен темірдің ⁵⁶₂₆Fe изотопы үшін 8,8 МэВ/нуклон мәніне дейін арта бастайды. Меншікті байланыс энергиясы максимал болатын элементтердің ядролары ең тұрақты ядролар болып келеді. Енді массалық сан А артқанымен меншікті байланыс энергиясы кеми береді, мысалы, уранның ²³⁸₉₂ Uизотопында Ем.б = 7,6 МэВ/нуклон.

Протондар санының артуына байланысты ауыр элементтердің ядроларындағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясы кемиді. Соның әсерінен олардың арасында кулондық тебілу күштерінің шамасы өседі. Ядродағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясы атомдағы электрондардың байланыс энергиясынан жүз мыңдаған есе артық екенін айта кеткеніміз жөн болар.

Жеңіл элементтердің меншікті байланыс энергиясының кемуі беттік құбылыстармен байланысты. Ядроның бетіне жақын орналасқан нуклондардың ядроның ішіндегі нуклондарға қарағанда өзара әрекеттесетін көршілерінің саны азырақ болады. Өйткені ядролық күштер қысқа қашықтықта ғана әрекет етеді. Сондықтан ядроның ішіндегі нуклондармен салыстырғанда ядроның бетіндегі нуклондардың байланыс энергиясы аз. Ядро кіші болған сайын, нуклондардың көпшілігі ядро бетіне жақын орналасады. Сол себепті жеңіл ядролардың меншікті байланыс энергиясы аз.

Протондар санының өсуі кулондық тебілу күшінің артуына әкеледі, нәтижесінде ауыр элементтер (Z>82) ядроларының меншікті байланыс энергиясы кемиді. Олай болса, ауыр элементтер ядросы тұрақсыздау болып келеді. Кулондық күштер ядроны ыдыратуға тырысады. Табиғатта жиі кездесетін және ядродағы протондардың немесе нейтрондардың саны киелі сандар деп аталатын 2, 8, 20, 24, 50, 82, 126 сандарына тең ядролар тұрақты болып келеді. Ал, егер протондардың да, нейтрондардың да сандары киелі сандарға тең болса, онда қосарланған киелі санды ядро аса тұрақты болады. Табиғатта ондай бес ядро бар: ⁴₂He,¹⁶₈O,⁴⁰₂₀Cr,²⁰⁸₈₂Pb.

Киелі ядролардың тұрақты болып келуін ядроның кабықтық моделі негізінде түсіндіруге болады.

Дата добавления: 2015-10-29